测量一颗“星”记录于宋代 新发现的“套索”挑战了理论极限

2021年7月10日22:18:21科学探索52阅读模式

科技日报记者卢成宽

1054年,宋朝的天空出现了一颗不同的星星。这颗星在夜空中闪耀了23天,被当时的司以“天官客星”的名字记录下来。

1967年后,四川稻城的大型科学工程高空宇宙线观测站“LHAASO”在高能天文学中精确测量了一盏标准烛光的亮度。科学家证实,这种标准烛光就是著名的天体——蟹状星云由“天冠客星”演化形成的。新测得的标准烛光亮度覆盖3.5个数量级的能量范围,为超高能伽马光源树立了新的标准。

测量一颗“星”记录于宋代 新发现的“套索”挑战了理论极限

与此同时,“拉索”还记录到了能量为1.1拍电子伏特(万亿电子伏特)的伽马光子,从而证实了在只有太阳系十分之一左右(约为太阳与地球距离的5000倍)的星云核心区域存在一个超强电子加速器,其加速能量达到了人工加速器产生的电子束的2万倍左右,几乎等于经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限。相关研究成果于7月9日在线发表于《科学》杂志。

蟹状星云距离地球约6500光年,诞生于一次超新星爆发。事件是在中国宋朝(1054年)观测到的,是现代天文学中第一个有明确历史观测记录的超新星遗迹。

在遗迹的中心有一颗每秒30转的脉冲星。“高速旋转的超强磁场不断将脉冲星表面磁层中的大量正负电子吹向四周,形成速度接近光速的强星风。”Lasso首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹震表示,星风中的电子与外界介质碰撞后,会进一步加速到更高的能量,产生我们看到的星云。

蟹状星云是一种罕见的天体,具有射电、红外、光学、紫外、X射线和射线波段的辐射,是一种非常明亮稳定的高能辐射源。天文学家在历史上对它的光谱做了大量的观察和研究,所以将其作为多波段的标准烛光,也就是测量其他天体辐射强度的标尺。

“‘拉索’测得蟹状星云辐射的最高能谱,覆盖范围从0.0005到1.1 eV,不仅证实了几十年来在这个范围内其他实验的观测结果,还实现了前所未有的0.3-1.1 eV超高能区。精确测量,为这个能量区域的标准烛光设定亮度标准。”曹真说。

测量一颗“星”记录于宋代 新发现的“套索”挑战了理论极限

在拉索此前发现的12个超高能伽马光源中,蟹状星云是两个具有发射电子伏特和光子能力的光源之一,也是唯一一个辐射源清晰的天体。

而这一次,测量到了1.1拍的电子伏特光子。通过后推,科学家发现其电子加速器的原始电子能量可以达到2.3拍电子伏特,比人类在地球上建造的最大电子加速器LEP产生的电子束能量高出约2万倍,为2.3拍电子加速器的存在提供了直接的观测证据。

“因为能量较高的电子更容易在磁场中失去能量,蟹状星云中的粒子加速机制必须具有惊人的效率,才能克服这些电子的能量损失。”曹震说,根据“拉索”的测量结果,其加速效率可达理论极限的15%,比超新星爆炸产生的爆轰波高1000倍左右,挑战了高能天体物理中电子加速的“标准模型”。

曹震说,这份报告的结果充分展示了“拉索”独特的多种检测方法相互交叉检验的能力,确保了测量结果的准确性和可靠性。拉索将于2021年7月竣工投产。预计每年可以记录到一两个来自蟹状星云的电子发射光子。在接下来的几年里,关于电子-sh加速的更多谜团

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